什麼叫做“泰勒公式”?

1.引言

我們在介紹 時,得到一個公式:

 f(b)-f(a)=f'(ε )(b-a)

拉格朗日看到這個公式就想,我們令b=x,a=0 就可以得到

 f(x)-f(0)=f'(ε )(x-0)

移項,化簡:就得到

f(x)=f'(ε )(x)+ f(0)

f(0)可以認為是一個常數,所以,就得到

f(x)=a+f'(ε )(x)

這個公式表明:任何一個函數,都可以寫成一個a加上函數一次求導形式。

而函數求導最大的好處就是:降低函數計算的複雜度。

例如:我們知道 sinx≈x, ln(1+x)≈1/(1+x)

所以,如果看到 sin0.001你就立刻知道他大約等於0.001, ln1.001大約等於1/1.001

求導能把複雜的正弦、對數運算轉換為加減乘除運算。

2.泰勒級數

拉格朗日看上面公式是好的,但是他感覺有點遺憾,sin0.001≈0.001 是沒錯,但是誤差到底是多少?因為在高科技上,精度99.9999%和 99.99999%還是有區別的。所以,要能解決f(x)的精度問題。

這個問題,拉格朗日到死都沒解決掉,但是後來被泰勒解決了。泰勒看了

f(x)=a+f'(ε )(x)

這個公式後,突發奇想:如果函數f(x)可以寫成如下方式就好了:

什麼叫做“泰勒公式”?

這樣,如果以後再求sinX時,因為高級次冪可以忽略,就能知道sinX的精度了。

請別問我泰勒為什麼會怎麼想到用這個公式表示,因為人家是天才。

所以,我們現在就要求a,a1,a2,a3到底是多少。

也許沒有一個人知道泰勒是怎麼想到的,但是,最終,泰勒給你一個結論:

a=f(x), a1=f'(x), a2=f''(x), a3=f'''(x)

這樣,泰勒級數就出來了:

什麼叫做“泰勒公式”?

如果a=0,也可以把這個級數稱為麥克勞林級數。

3.常規函數泰勒展開式

下面介紹求sinx的展開式:

什麼叫做“泰勒公式”?

現在,數學家已經把常用函數的泰勒展開式都給計算出來了。

什麼叫做“泰勒公式”?

4.泰勒級數有什麼用

在本文開頭曾經說過,求導無法確定精度,使用泰勒級數,最大的好處,就是知道了我要的精確到什麼程度。

所以 sin0.1=0.1-0.1^3/3!+0.1^5/5!-0.1^7/7!+0.1^9/9! ...

能很明顯看到後一項比前一項小,當小到一定程度,滿足我們的精度,我們就可以認為他是合適的。

就像圓周率π,普通計算取3.14就能滿足,高精度的取3.1415926可以滿足,超高精度的 3.14159 26535 89793 23846 大家都知道他是無限不循環小數,但是這並不影響他的正常使用。

總之,這個精度範圍你可以控制的。


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